Bài giảng Cầu thép-TC05

Quy trình thiết kế cầu trên đường bộ hiện nay của nước ta là 22TCN-272-05 đươc dựa trên quy trình AASHTO-LRFD của hiệp hội cầu đường Mỹ. Phần này trình này thiết kế cầu thép theo quy trình.

Trang 1

Nguyễn Văn Nhậm – Nguyễn Ngọc Long – Nguyễn Mạnh – Ngô Ngọc Sơn

1

Chương I

MỞ ĐẦU 1.1 Nguyên lý thiết kế

Hiện nay việc tính toán thiết kế kết cấu công trình được dựa trên các trạng

thái giới hạn Trạng thái giới hạn là trạng thái mà nếu vượt quá nó, cầu hoặc bộ

phận của cầu sẽ không còn thỏa mãn các yêu cầu đặt ra khi thiết kế nữa

Trong mỗi trạng thái giới hạn (TTGH), mỗi cấu kiện hay liên kết phải thỏa

mãn điều kiện

trong đó:

i

η – hệ số điều chỉnh tải trọng, là hệ số liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm

quan trọng trong khai thác của cầu;

γi – hệ số tải trọng, là hệ số xét đến sự biến thiên của tải trọng, sự thiếu chính

xác trong phân tích và xác suất xảy ra cùng một lúc của các tải trọng khác nhau,

nhưng cũng liên quan đến thống kê về sức kháng trong quá trình hiệu chỉnh;

Qi – hiệu ứng của tải trọng: lực dọc, lực cắt , mômen uốn v.v…ở một bộ phận

kết cấu hay liên kết do tải trọng sinh ra;

Rn – sức kháng danh định hay sức kháng tiêu chuẩn của một cấu kiện hoặc

liên kết Sức kháng danh định được xác định theo kích thước, ứng suất cho phép,

biến dạng hoặc cường độ của vật liệu;

Φ – hệ số sức kháng là hệ số chủ yếu xét đến sự biến thiên các tính chất của

vật liệu, kích thước của kết cấu và tay nghề của công nhân và sự không chắc

chắn trong dự đoán về sức kháng, nhưng cũng liên quan đến những thống kê về

tải trọng thông qua trong quá trình hiệu chỉnh;

Rr – sức kháng tính toán

1.2 Các trạng thái giới hạn

Về tổng quát có ba trạng thái giới hạn:

- Trạng thái giới hạn về cường độ là trạng thái giới hạn có liên quan đến cường

độ và ổn định

- Trạng thái giới hạn sử dụng là trạng thái giới hạn liên quan đến ứng suất, biến

dạng và vết nứt dưới điều kiện khai thác bình thường

- Trạng thái giới hạn đặc biệt là trạng thái giới hạn liên quan đến các sự cố như

động đất, va xô của tàu bè, xe cộ vào công trình, có thể cả trong điều kiện xói lở

Do trạng thái giới hạn về cường độ được chia làm nhiều trường hợp khác

nhau nên trong tính toán các cấu kiện hay liên kết phải thỏa mãn điều kiện (1-1)

trong các trạng thái giới hạn cụ thể sau đây:

Trang 2

2

- Trạng thái giới hạn cường độ I là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng

cơ bản khi trên cầu có xe và không có gió

- Trạng thái giới hạn cường độ II là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng

khi trên cầu không có xe nhưng có gió với tốc độ gió lớn hơn 25m/s

- Trạng thái giới hạn cường độ III là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng

khi trên cầu có xe và có gió với vận tốc 25m/s

- Trạng thái giới hạn mỏi là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng gây ra

mỏi và đứt gãy liên quan đến tác dụng lặp đi lặp lại và xung kích của một xe tải

với khoảng cách trục cố định (khoảng cách trục giữa và trục sau là 9m)

- Trạng thái giới hạn sử dụng là tải trọng giới hạn tính với tổ hợp tải trọng liên

quan đến khai thác bình thường của cầu với gió vận tốc 25m/s và với tất cả các

tải trọng lấy theo giá trị danh định (trong quy trình cũ gọi là tải trọng tiêu chuẩn)

dùng để kiểm tra độ võng, bề rộng vết nứt trong kết cấu bê tông cốt thép và bê

tông cốt thép dự ứng lực, sự chảy dẻo của kết cấu thép và sự trượt của các liên

kết có nguy cơ trượt do tác dụng của hoạt tải xe

- Trạng thái giới hạn đặc biệt là trạng thái giới hạn tính với tổ hợp tải trọng có

liên quan đến động đất, lực va của tầu thuyền, xe cộ

1.3 Hệ số điều chỉnh tải trọng

Hệ số ηi liên quan đến tính dẻo, tính dư và tầm quan trọng của cầu trong khai

thác theo quan hệ:

95.0

≥I R D

i =η η η

trong đó η , D η và R η lần lượt là hệ số độ dẻo, hệ số dư và hệ số tầm quan trọng I

khai thác Các hệ số này được lấy theo hướng dẫn dưới đây

hồi, biến dạng sẽ tăng lên và có sự phân bố lại nội lực sang các bộ phận khác

của kết cấu và như vậy kết cấu hay liên kết có tính dẻo làm việc an toàn hơn kết

cấu và liên kết không dẻo

Hệ kết cấu cầu phải được xác định kích thước và cấu tạo đảm bảo cho sự phát

triển của biến dạng dẻo ở trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn đặc

biệt

Cần phải xét đến ảnh hưởng của tính dẻo trong tính toán, ở đây hệ số dẻo

được đặt ở vế trái của biểu thức (1-1), ở phần hiệu ứng của tải trọng nên các cấu

- Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

ηD = 1,00 cho các thiết kế thông thường

Trang 3

3

- Đối với các trạng thái giới hạn khác: ηD = 1,00

1.3.2 Hệ số dư

biến hình của kết cấu Tuy nhiên không phải bộ phận nào của kết cấu siêu tĩnh cũng được xem là có tính dư, chẳng hạn dàn trên hình 1-1 là dàn siêu tĩnh bậc 1, các thanh có đánh dấu x là các bộ phận có tính dư vì hư hỏng của một thanh nào

đó trong chúng không gây nên sập đổ cầu, trái lại các thanh không đánh dấu x là các thanh không có tính dư vì hư hỏng một trong số các thanh này làm cho dàn trở thành kết cấu biến hình

khi xuất hiện một khớp dẻo A hoặc B dầm vẫn là hệ bất biến hình và không bị sụp đổ, dầm chỉ được xem là mất khả năng làm việc khi đồng thời xuất hiện cả hai khớp dẻo A và B

Hình 1-1 Cầu dàn

Hình 1-2 Cầu dầm

Qua hai thí dụ trên có thể thấy ngay trong một kết cấu siêu tĩnh các bộ phận hay cấu kiện mà hư hỏng của chúng gây ra sụp đổ cầu là các bộ phận hay cấu kiện không có tính dư, trái lại các bộ phận hay cấu kiện mà sự hư hỏng của chúng không gây ra sụp đổ cầu là các bộ phận hay cấu kiện có tính dư

hơn ở bộ phận có tính dư Quy trình quy định như sau:

- Đối với trạng thái giới hạn cường độ ηR :

- Đối với các trạng thái giới hạn khác: ηR = 1,00

Trang 4

4

1.3.3 Hệ số tầm quan trọng trong khai thác

Tùy theo tính chất quan trọng trong khai thác chủ đầu tư có thể quyết định một cầu hoặc một bộ phận nào của cầu là quan trọng trong khai thác Quy trình

- Đối với trạng thái giới hạn cường độ:

ηI ≥ 0,95 cho các cầu ít quan trọng

- Đối với các trạng thái giới hạn khác : ηI = 1,00

1.4 Hệ số sức kháng của kết cấu thép

1.4.1 Đối với trạng thái giới hạn cường độ

Hệ số sức kháng Φ được lấy theo các chỉ dẫn trong bảng 1-1

Bảng 1-1 Hệ số sức kháng

Kết cấu chịu uốn

Kết cấu chịu cắt

Kết cấu thép hoặc thép liên hợp chịu nén dọc trục

Kết cấu chịu kéo, đứt trong mặt cắt thực

Kết cấu chịu kéo, chảy trong mặt cắt nguyên

Ép mặt tựa trên các chốt, các lỗ doa, khoan hoặc bắt bulông

Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu hoàn toàn:

- Cắt trên diện tích hữu hiệu

- Kéo và nén trực giao với diện tích hữu hiệu

- Kéo hoặc nén song song với trục đường hàn

Kim loại hàn trong các đường hàn ngấu cục bộ:

- Cắt song song với trục đường hàn

- Nén trực giao với diện tích hữu hiệu

- Kéo trực giao với diện tích hữu hiệu

Kim loại hàn các mối hàn:

- Cắt trong chiều cao tính toán của kim loại hàn

1,00 1,00 0,90 0,80 0,95

1,00 0,80 0,85 0,80 0,80

0,85 Lấy theo kim loại được hàn Lấy theo kim loại được hàn

0,80 Lấy theo kim loại được hàn Lấy theo kim loại được hàn

0,80 Lấy theo kim loại được hàn

0,80

Trang 5

5

1.4.2 Đối với các trạng thái giới hạn đặc biệt

Hệ số sức kháng trong trạng thái giới hạn đặc biệt, trừ bulông, lấy bằng 1,00

1.5 Hệ số tải trọng

Hệ số tải trọng phụ thuộc vào loại tải trọng: tải trọng thường xuyên, tải trọng

tức thời hay tải trọng thi công Hệ số tải trọng còn phụ thuộc vào tổ hợp tải

trọng Trong mỗi tổ hợp tải trọng các hệ số tải trọng phải chọn sao cho gây ra

tổng nội lực tính toán là cực trị (cả giá trị âm và dương), ở đó nếu tác dụng của

một tải trọng làm giảm tác dụng của một tải trọng khác thì phải lấy giá trị nhỏ

nhất của tải trọng đã làm giảm tác dụng của tải trọng kia bằng cách lấy hệ số tải

trọng nhỏ nhất

Hệ số tải trọng của các tải trọng thường xuyên được lấy theo bảng 1-2, còn hệ

số tải trọng của các tải trọng tức thời được lấy theo bảng 1-3

phép qua cầu thì hệ số tải trọng của hoạt tải (LL) trong tổ hợp cường độ I có thể

giảm xuống còn 1,35 Các cầu có tỷ lệ tĩnh tải trên hoạt tải rất cao (cầu nhịp lớn)

cần kiểm tra tổ hợp không có hoạt tải trên cầu (tổ hợp cường độ II) nhưng với hệ

số tải trọng bằng 1,5 cho tất cả các tải trọng thường xuyên (γP = 1,5)

Bảng 1-2 Hệ số tải trọng của các tải trọng thường xuyên

Hệ số tải trọng Loại tải trọng

Lớn nhất Nhỏ nhất

0,90 0,90

Không áp dụng 1,00 0,90 0,90 0,90 0,90

Với cầu vượt sông ở các trạng thái giới hạn cường độ và trạng thái giới hạn sử

dụng phải xét đến xói móng mố, trụ do lũ thiết kế

Trang 6

6

Với cầu vượt sông khi kiểm tra các hiệu ứng tải: động đất, lực va xe, lực va tầu ở trạng thái giới hạn đặc biệt thì tải trọng nước và chiều sâu xói có thể dựa trên lũ trung bình hàng năm, tuy nhiên kết cấu phải được kiểm tra với các hậu quả do lũ như kiểm tra xói ở trạng thái giới hạn đặc biệt và tải trọng nước tương ứng nhưng không có các tải trọng động đất, va xô của xe, của tầu thuyền

giới hạn sử dụng có thể giảm hệ số tải trọng của hoạt tải xuống là 0,80

của hoạt tải phải tăng lên là 1,30

III γ P 1,35 1,00 0,40 1,00 1,00 0,50/1,20 γ TG γ SE - - - Đặc biệt γ P 0,5 1,00 - - 1,00 - - - 1,00 1,00 1,00

Sử dụng 1,00 1,00 1,00 0,30 1,00 1,00 0,50/1,20 γ TG γ SE - - - Mỏi, chỉ có

TG Chênh lệch nhiệt độ không đều (gradien nhiệt độ)

TU Chênh lệch nhiệt độ đều

WA Tải trọng nước và áp lực dòng chảy

Trang 7

7

WL Tải trọng gió lên hoạt tải

WS Tải trọng gió lên cầu

0,50 ở trạng thái giới hạn sử dụng khi có xét hoạt tải

Đối với cầu thi công phân đoạn, phải xem xét tổ hợp sau đây ở trạng thái giới

hạn sử dụng:

DC + DW + EH + EV + ES + WA + CR + SH + TG + EL

1.6 Tải trọng và các hệ số

1.6.1 Tải trọng thường xuyên

Tải trọng thường xuyên là tải trọng và lực tác động không đổi hoặc được xem

là không đổi sau khi hoàn thành việc xây dựng cầu Tải trọng thường xuyên của

cầu nói chung bao gồm tĩnh tải và tải trọng đất Đối với kết cấu nhịp thì tải trọng

thường xuyên là tĩnh tải bao gồm trọng lượng tất cả cấu kiện của kết cấu, phụ

kiện và tiện ích công cộng kèm theo, trọng lượng mặt cầu, dự phòng phủ bù và

mở rộng

Khi không có đủ số liệu chính xác có thể lấy khối lượng riêng như trong bảng

1-4 để tính tĩnh tải

Bảng 1-4 Khối lượng riêng của vật liệu

Vật liệu Khối lượng riêng

Bê tông

Thường 2400 Cát rời, phù sa, sỏi 1600 Đất sét mềm 1600

Ngọt 1000 Nước

Mặn 1025

Trang 8

hơn, tải trọng xe có thể lấy là tải trọng trục nhân với 0,5 hoặc 0,65 còn khoảng cách trục xe và bánh xe không thay đổi

1.6.2.3 Tải trọng làn thiết kế

Tải trọng làn thiết kế gồm tải trọng 9,30N/mm phân bố đều theo chiều dọc cầu Theo chiều ngang cầu tải trọng làn được xem là phân bố đều trên chiều rộng 3000mm Không tính hệ số xung kích với tải trọng làn

1.6.2.4 Tải trọng người đi

Tải trọng người đi trên cầu ô tô khi lề người đi rộng bằng hoặc hơn 600mm

Trang 9

9

1.6.2.5 Hoạt tải thiết kế HL - 93

Hoạt tải thiết kế HL – 93 là một tổ hợp của:

- Xe tải và tải trọng làn thiết kế

- Xe hai trục và tải trọng làn thiết kế

trục với tải trọng làn Trên mỗi làn chỉ có một xe tải hoặc một xe hai trục trừ trường hợp có quy định riêng (xem điều 3.6.1.3.1 quy trình)

1.6.2.6 Hệ số làn xe

Khi trên cầu đồng thời có một số làn xe cần phải nhân với hệ số làn để xét đến xác suất xảy ra hiệu ứng cực trị

a Số làn xe thiết kế:

Số làn xe thiết kế được xác định bởi phần số nguyên của tỷ số w/3500, ở đây

w là bề rộng khoảng trống của lòng đường giữa hai đá vỉa hoặc hai rào chắn, đơn vị là mm Cần xét đến khả năng thay đổi chiều rộng phạm vi xe chạy trong tương lai

bằng số làn giao thông và bề rộng làn xe thiết kế phải lấy bằng bề rộng làn giao thông

bằng một nửa bề rộng lòng đường

b Hệ số làn:

Nội lực cực trị của hoạt tải được xác định bằng cách xét mỗi tổ hợp có thể của

số làn chịu tải nhân với hệ số làn xe như trong bảng 1-5

Trang 10

10

1.6.2.7 Hệ số xung kích

Để xét đến tác dụng động của tải trọng, tác dụng tĩnh của xe tải hoặc xe hai

trục thiết kế (không kể lực ly tâm và lực hãm phanh) phải được nhân thêm với

hệ số xung kích 1+IM/100, trong đó lực xung kích IM được tính theo phần trăm

của lực tác dụng và được lấy theo bảng 1-6

tường chắn không chịu lực thẳng đứng từ kết cấu phần trên và phần móng nằm

hoàn toàn dưới mặt đất

Lực ly tâm xuất hiện khi xe chạy trên đường cong Lực ly tâm tác dụng theo

phương nằm ngang ở phía trên và cách mặt đường 1800mm, có độ lớn bằng tích

số trọng lượng trục của xe tải hay xe hai trục với hệ số C:

gR3

V4C

Lực hãm xe được lấy bằng 25% trọng lượng các trục của xe tải hoặc xe hai

trục thiết kế đặt lên mỗi làn cho tất cả các làn được quy định theo phần 1.6.2.6.a

và có xe chạy cùng hướng Các lực này được xem là tác dụng theo phương nằm

ngang cách phía trên mặt đường 1800mm theo một hướng dọc cầu để gây ra nội

lực lớn nhất Đối với những cầu có thể trở thành một chiều trong tương lai thì

phải chất tải đồng thời trên tất cả các làn thiết kế

Khi tính lực hãm phải áp dụng hệ số làn

1.6.2.10 Lực va của xe

Trang 11

11

- Nền đắp

- Rào chắn độc lập chôn trong đất, chịu được va chạm, cao 1370mm, đặt cách bộ phận cần bảo vệ trong phạm vi 3000mm

- Rào chắn cao 1070m đặt cách bộ phận cần bảo vệ hơn 3000mm

a Xe cộ, tầu hỏa va vào kết cấu:

Nếu không được bảo vệ thì mố, trụ đặt trong phạm vi cách lòng đường bộ 9000mm hay trong phạm vi 15000mm đến tim đường sắt đều phải tính với lực tĩnh tương đương đặt trong mặt phẳng nằm ngang, cách mặt đất 1200mm với trị

số bằng 1800kN

b Xe cộ va vào rào chắn, lan can (hình 1-4):

bảng 1-7 và được minh họa trong hình 1-4 Các mức độ ngăn chặn của lan can được lấy theo các chỉ dẫn sau:

thấp và các đường phố địa phương có lưu lượng nhỏ, tốc độ thấp

địa phương và đường thu gom có điều kiện tốt nơi có ít xe nặng và tốc độ giảm

xe nặng

giao thông lớn với tỷ lệ cao hơn của các xe nặng và cho đường bộ với điều kiện tại chỗ xấu

L5 Mức cấp năm, áp dụng cho các đường giống như mức cấp bốn khi có

điều kiện tại chỗ chứng minh cần mức độ ngăn chặn cao hơn

Bảng 1-7 Lực thiết kế và các thông số tác dụng đối với lan can đường ô tô

Mức độ ngăn chặn của lan can Lực thiết kế và các thông số tác dụng

Trang 12

12

Hình 1-4 Các lực va vào rào chắn, lan can

1.6.2.11 Tải trọng gió

a Tốc độ gió thiết kế:

Ở đây chỉ xét tốc độ gió nằm ngang tác dụng vào công trình cầu thông

thường, đối với những kết cấu nhịp lớn hay kết cấu nhạy cảm với gió như cầu

treo dây võng, cầu dây văng…, cần có những khảo sát, nghiên cứu riêng và thí

nghiệm trong các hầm thổi gió để xác định tác động của gió

Tốc độ gió thiết kế được xác định theo công thức:

SV

S – hệ số hiệu chỉnh theo địa hình và cao độ, lấy theo bảng 1-9

Bảng 1-8 Các giá trị của V B cho các vùng

Vùng tính gió theo TCVN 2737 – 1995

Tốc độ gió giật cơ bản

V B (m/s)

I

II III

Ghi chú của bảng 1-8: Khi tính gió trong quá trình lắp ráp có thể nhân tốc độ

gió giật cơ bản VB cho trong bảng với hệ số 0,85

Trang 13

13

Bảng 1-9 Hệ số hiệu chỉnh tốc độ gió theo địa hình và cao độ

Độ cao mặt cầu trên

mặt đất khu vực

xung quanh hay trên

mặt nước (m)

Khu vực trống trải hay mặt nước thoáng

Khu vực có rừng hay có nhà cửa với cây, nhà cao tối đa khoảng 10m

Khu vực có nhà cửa với đa số nhà cao trên 10m

Cd – hệ số chắn gió lấy theo đồ thị trên hình 1-5

Hình 1- 5 Hệ số cản C d dùng cho kết cấu phần trên có mặt hứng gió đặc

Diện tích chắn gió At phải là diện tích đặc chiếu lên mặt trước vuông góc với

hướng gió, trong trạng thái không có hoạt tải tác dụng với các điều kiện sau:

0,4 0,8 1,2

2,4

2,0

1,6 2,8

Trang 14

14

+ Đối với kết cấu phần trên có lan can đặc, diện tích At phải bao gồm cả diện tích của lan can đặc hứng gió (lan can đầu gió), không cần xét ảnh hưởng của lan can không hứng gió (lan can cuối gió hay lan can ở phía sau)

+ Đối với kết cấu phần trên có lan can hở, khi đó phải lấy bằng tổng tải trọng tác dụng lên từng phần bao gồm cả lan can đầu gió và lan can cuối gió khi xem như lan can này không ảnh hưởng gì đến lan can kia Khi số lan can lớn hơn hai chỉ xét hai lan can có diện tích chắn gió lớn nhất

+ Đối với cầu dàn tải trọng gió được tính riêng cho từng dàn, không xét tác dụng chắn gió của dàn nọ đối với dàn kia

+ Đối với trụ không xét đến ảnh hưởng của các mặt che chắn

Hệ số cản gió Cd lấy theo hình 1-5, trong đó trục hoành là tỷ số b/d với b là chiều rộng cầu giữa hai mặt lan can và d là chiều cao kết cấu phần trên bao gồm

cả lan can đặc nếu có với các chú ý sau:

+ Khi kết cấu phần trên có mặt chính đặc, mép dốc đứng, không có góc vuốt thoát gió đáng kể thì Cd lấy như trên hình 1-5

+ Trong cầu dàn, lan can, kết cấu phần dưới tính riêng, mỗi bộ phận có hệ số Cdtương ứng

+ Mọi kết cấu phần trên khác, Cd được xác định theo thí nghiệm trong hầm thổi gió

+ Giá trị Cd cho trong hình 1-5 ứng với mặt chắn gió thẳng đứng và gió tác dụng nằm ngang

+ Nếu mặt chắn gió xiên với mặt phẳng thẳng đứng, Cd có thể giảm 0,5% cho mỗi độ xiên và giảm tối đa 30%

+ Nếu mặt chắn gió có phần đứng và phần xiên hoặc hai phần xiên với góc nghiêng khác nhau thì:

Hệ số cản Cd tính với chiều cao toàn bộ kết cấu;

Đối với từng phần hệ số cản Cd giảm theo ghi chú ở trên;

Tải trọng gió tổng cộng được tính theo tải trọng gió lên từng phần với hệ số cản gió Cd tương ứng

+ Nếu kết cấu phần trên có độ dốc phải lấy Cd tăng thêm 3% cho mỗi độ nghiêng so với đường nằm ngang nhưng không quá 25%

+ Nếu kết cấu phần trên chịu gió xiên không quá 5% so với phương nằm ngang phải tăng Cd lên 15%, nếu góc xiên vượt quá 5% phải có thí nghiệm riêng để xác định Cd

+ Nếu kết cấu phần trên dốc đồng thời chịu gió xiên phải lấy Cd theo kết quả khảo sát riêng

- Gió dọc:

Đối với mố, trụ, kết cấu phần trên có bề mặt cản gió song song với tim dọc của kết cấu lớn thì phải tính tải trọng gió dọc cầu Cách tính tải trọng gió dọc

Trang 15

15tương tự cách tính tải trọng gió ngang Đối với kết cấu phần trên có mặt trước

đặc, tải trọng gió dọc lấy bằng 0,25 tải trọng gió ngang tính như phần trên

Các tải trọng gió dọc và ngang phải tính riêng rẽ, trường hợp cần thiết cần

kiểm toán theo hợp lực thì không lấy hai trường hợp riêng rẽ trên mà phải tính

theo hướng thực của gió

trong đó V là tốc độ gió thiết kế được lấy theo công thức (1-4) ở trên, Av là diện

tích phẳng của mặt cầu hay cấu kiện dùng để tính tải trọng gió thẳng đứng (m2)

Tải trọng gió thẳng đứng chỉ tính trong các trạng thái giới hạn không liên

quan đến gió tác dụng lên hoạt tải, chỉ tính khi lấy hướng gió vuông góc với trục

dọc cầu Tải trọng gió thẳng đứng tác dụng cùng gió nằm ngang

Công thức (1-6) áp dụng với điều kiện góc nghiêng của gió tác dụng vào kết

cấu nhỏ hơn 50, nếu lớn hơn cần xác định bằng thí nghiệm

c Tải trọng gió tác dụng lên hoạt tải WL:

Trong trạng thái giới hạn cường độ III phải xét cả tải trọng gió tác dụng lên

hoạt tải Tải trọng gió ngang lên hoạt tải được lấy là một lực rải đều hướng

ngang cầu có trị số 1,5N/mm đặt tại độ cao 1800mm so với mặt đường xe chạy

Tải trọng gió dọc lên hoạt tải cũng là một lực rải đều nằm ngang đặt tại độ cao

1800mm so với mặt đường xe chạy, phân bố dọc cầu và có cường độ 0,75N/mm

Tải trọng gió ngang cầu và dọc cầu được tính riêng rẽ, nếu cần kiểm toán theo

hợp lực thì phải tính theo hướng thực của gió

1.7 Phân bố ngang của tải trọng

Cầu là một kết cấu không gian Có nhiều phương pháp để tính ra nội lực,

chuyển vị ở từng vị trí của kết cấu, các phương pháp này đã được thể hiện trong

các phần mềm tính toán mà khi thiết kế người kỹ sư có thể dùng để tính toán

Tuy nhiên trong nhiều trường hợp người ta có thể đưa bài toán không gian về

bài toán phẳng thông qua hệ số phân bố ngang của tải trọng Có rất nhiều

phương pháp tính hệ số phân bố ngang đã được nghiên cứu, ở đây chỉ xét

phương pháp đã được chấp nhận trong quy trình 22TCN-272-05

So với các phương pháp khác, phương pháp tính hệ số phân bố ngang theo

quy trình 22TCN-272-05 có các đặc điểm sau:

- Tính hệ số phân bố ngang riêng cho lực cắt, riêng cho mômen uốn

- Có hệ số phân bố ngang riêng cho dầm biên và cho dầm trong

- Có hệ số hiệu chỉnh khi cầu xiên

- Cầu dầm và cầu tiết diện hộp có phương pháp tính khác nhau

Trang 16

16

1.7.1 Tính hệ số phân bố ngang cho các cầu dầm - bản

Cầu dầm - bản là loại cầu hay gặp nhất, trong đó dầm chủ có thể là thép, gỗ,

bê tông, mặt cầu cũng có thể là thép, gỗ, bê tông Tuy nhiên trong phạm vi cầu

thép thì dầm chủ bằng thép còn mặt cầu bằng gỗ, thép hoặc bê tông Nếu mặt

cầu không liên hợp với dầm chủ thì tạo thành cầu dầm thép bản kê Nếu mặt cầu

bằng bê tông được liên kết cứng với dầm thép thì tạo thành cầu dầm thép liên

hợp với bản bê tông cốt thép Nếu mặt cầu bằng thép và được cấu tạo sao cho

cùng làm việc với dầm thép thì tạo thành cầu dầm có bản trực hướng

Phương pháp tính hệ số phân bố ngang cho cầu dầm - bản (từ đây gọi tắt là

cầu dầm) trong quy trình 22TCN-272-05 chỉ áp dụng cho cầu thỏa mãn các điều

kiện sau:

- Bề rộng mặt cầu không đổi trên suốt chiều dài nhịp

- Số dầm không nhỏ hơn 4 trừ khi có quy định khác

- Các dầm song song với nhau và có độ cứng xấp xỉ nhau

- Phần hẫng của đường xe chạy không vượt quá 910mm trừ khi có quy định

khác

- Độ cong trong mặt bằng nhỏ

- Mặt cắt ngang cầu phù hợp với quy định trong bảng 1-10

Khi đã thỏa mãn các điều kiện trên, tải trọng thường xuyên của bản mặt cầu

và trên bản mặt cầu được xem là phân bố đều cho các dầm chủ hoặc phân bố đều

cho dầm chủ và dầm dọc hoặc phân bố đều cho dầm dọc như trong cầu dàn

Để tính hệ số phân bố ngang của hoạt tải cần thực hiện theo trình tự: Đầu tiên

tính tham số độ cứng dọc, sau đó từ tham số độ cứng dọc tra bảng để xác định hệ

số phân bố ngang Hệ số phân bố ngang của hoạt tải ở đây có thể sử dụng cho

các loại xe mà bề rộng của chúng tương đương với bề rộng của xe tải thiết kế

EB – mô đun đàn hồi của vật liệu chế tạo dầm (MPa);

ED – mô đun đàn hồi của vật liệu bản (MPa);

I – mômen quán tính của dầm (mm4);

A – diện tích tiết diện dầm chủ hay dầm dọc phụ (mm2);

eg – khoảng cách từ trọng tâm dầm đến trọng tâm bản (mm)

Trang 17

17 Các thông số I và A trong công thức (1-7) phải được lấy theo dầm không liên hợp

Bảng 1-10 Các loại mặt cắt ngang kết cấu nhịp

Cấu kiện đỡ Loại mặt cầu Mặt cắt điển hình

Dầm thép Bê tông đúc tại chỗ, đúc sẵn, lưới thép mắt cáo

1.7.1.2 Xác định công thức tính hệ số phân bố ngang

Căn cứ vào loại kết cấu dầm, mặt cắt thích hợp (a hoặc b hoặc c trong bảng 10), phạm vi áp dụng, tra bảng 1-11 để tìm công thức tính hệ số phân bố ngang, sau đó thay các giá trị tương ứng vào để tìm giá trị của hệ số phân bố ngang Với các cầu chỉ có hai dầm, hệ số phân bố ngang được tính theo phương pháp đòn bẩy Hệ số phân bố ngang được tính theo công thức ở bảng trên đã được nhân với hệ số làn xe m Khi tính theo phương pháp đòn bẩy cần phải nhân thêm với hệ số làn xe m

Ghi chú của bảng 1-11:

S – khoảng cách giữa các dầm (mm)

L – chiều dài nhịp (mm)

ts – chiều dày bản bê tông (mm)

tg – chiều dày lưới thép hoặc tấm thép lượn sóng (mm)

NL – số làn xe thiết kế

Nb – số dầm, dầm dọc phụ

de – khoảng cách từ tim dầm ngoài đến mép trong của đá vỉa hoặc lan can

g – hệ số phân bố

Trang 18

18

e – hệ số hiệu chỉnh

d – chiều cao dầm chủ hoặc dầm dọc phụ (mm)

D – chiều rộng phân bố trên một làn (mm)

1 , 0 3 s g 3 , 0 4 , 0

Lt

K L

S 4300

S 06 ,

Số làn chịu tải ≥ 2

0,1 0,6 0,2

g 3 s

K

S S 0,075

2900 L Lt

⎛ ⎞

⎛ ⎞ ⎛ ⎞ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟

⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

1100≤S≤4900

110 ≤t s ≤ 300 6000≤L≤73000

N b ≥ 4 loại a,

5 , 1

1 ( tg ) C

5 , 0 3 s

g 1

L

S Lt

K 25 , 0

Số làn chịu tải ≥ 2 S/2400 nếu t g < 100 mm S/3050 nếu t g ≥ 100 mm

L

N

425 , 0 N

N 85 , 0 05 ,

5 , 1 N

N 5 , 0

Trang 19

Tính theo nguyên tắc đòn bẩy

g = e·g dầm trong

2800

d 77 , 0

-300 ≤d e ≤ 1700

N b ≥ 4 loại a, mặt

5 , 1

1 ( tg ) C

5 , 0 3 s

g 1

L

S Lt

K 25 , 0

7600

S 36 ,

S 20 ,

3 , 0

g

3 s

g = e g dầm trong

3000

d 60 , 0

3 , 0

g

3 s

Trang 20

20

1.7.2 Tính hệ số phân bố ngang cho các cầu dầm hộp

Với cầu dầm hộp kể cả hộp đơn và hộp có hai hoặc nhiều ngăn tốt nhất là tính nội lực bằng các phương pháp không gian như phương pháp phần tử hữu hạn, dải hữu hạn… trong các phần mềm tính toán đã có sẵn Với cầu nhiều hộp (hình

b và c trong bảng 1-8) bạn đọc có thể tính theo các công thức cho trong quy trình, ở đây không nêu công thức tính vì trường hợp này cho đến nay chưa gặp ở Việt nam

Trang 21

21

Chương 2 THÉP VÀ CÁC LIÊN KẾT 2.1 Các loại thép kết cấu

Theo tiêu chuẩn thiết kế cầu 22TCN-272-05, trong cầu thép thường dùng 4 loại thép sau:

- Thép cácbon hay thép kết cấu M 270M cấp 250

- Thép hợp kim thấp cường độ cao M 270M cấp 345 và 345W

- Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt M 270M cấp 485W

-Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt với cường độ chảy dẻo cao M270M cấp 690

Thép hợp kim thấp cường độ cao

Thép hợp kim thấp tôi và gia nhiệt

M 270M cấp 345

M 270M cấp 345W

M 270M cấp 485W

M 270M cấp 690/690W

Ký hiệu ASTM

tương đương

A 709M cấp 250

A 709M cấp 345

A 709M cấp 345W

A 709M cấp 485W

A 709M các cấp 690/690W

Chiều dày bản

thép, mm

Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 100 Tới 65 Trên 65

đến 100 Thép hình

Tất cả các nhóm

Trang 22

22

Trong các loại thép ở bảng 2-1 thì M 270M là ký hiệu thép còn cấp của loại thép là cường độ chảy tính bằng MPa Thí dụ thép cấp 345 thì cường độ chảy của thép là 345MPa, còn chữ W ở sau cấp thép là chỉ thép chống gỉ, thí dụ thép cấp 690W là thép chống gỉ có cường độ chảy 690MPa

Tất cả các loại thép cho trong bảng 2-1 đều là thép hàn được

Chiều dày nhỏ nhất của thép trong cầu thép quy định ở điều 6.7.3 như sau:

- Thép kết cấu bao gồm cả liên kết ngang, liên kết dọc và các loại bản nút trừ sườn dầm của thép hình, sườn tăng cường kín trong mặt cầu có bản trực hướng (bản orthotrope), tấm đệm và thép lan can đều phải có chiều dày tối thiểu là 8mm

- Chiều dày sườn của thép hình, sườn tăng cường kín trong mặt cầu có bản trực hướng phải có chiều dày tối thiểu là 7mm

- Với những kết cấu hoặc bộ phận kết cấu chịu ảnh hưởng ăn mòn nghiêm trọng thì phải được bảo vệ đặc biệt chống ăn mòn hoặc phải quy định chiều dày bị ăn mòn để tăng thêm chiều dày thép khi thiết kế

2.2 Liên kết bulông

Bulông dùng trong cầu có thể là bulông thường hoặc bulông cường độ cao Bulông thường được dùng chủ yếu trong các bộ phận phụ như lan can, ống thoát nước v.v Bulông cường độ cao được dùng phổ biến trong cầu nhất là ở các mối nối thực hiện tại công trường Liên kết bulông cường độ cao có thể làm việc theo ma sát hay theo ép tựa

Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu, tải trọng va chạm mạnh, chấn động lớn… phải dùng liên kết ma sát, cụ thể là:

- Các mối ghép chịu tải trọng mỏi

- Các mối nối chịu cắt với các bulông lắp vào lỗ quá cỡ

- Các mối nối chịu cắt với các bulông lắp vào lỗ ôvan ngắn hoặc dài, lực tác dụng lên mối nối khác với phương thẳng góc với trục dài của lỗ ôvan

- Các mối nối chịu ứng suất đổi dấu

- Các mối nối trong đó các bulông cũng tham gia truyền tải trọng ở bề mặt được tạo nhám

- Các mối nối kéo dọc trục hoặc kéo dọc trục đồng thời cắt

- Các mối nối chịu nén dọc trục với các lỗ tiêu chuẩn hoặc các lỗ ôvan chỉ trong một lớp của liên kết, phương của tải trọng thẳng góc với phương của trục dài lỗ ôvan

Các liên kết chịu ép tựa được dùng cho các mối nối chịu nén dọc trục hoặc các mối nối trên hệ liên kết với điều kiện phải thỏa mãn sức kháng tính toán trong trạng thái giới hạn cường độ

Trang 23

23

2.2.1 Cấu tạo bulông cường độ cao

Bulông cường độ cao bao gồm có bulông, đai ốc và vòng đệm

2.2.1.1 Bulông

Bulông cường độ cao dùng trong liên kết của các kết cấu thép phải có cường

độ chịu kéo tối thiểu 830MPa cho các bulông có đường kính từ 16mm đến 27mm và 725MPa cho các bulông có đường kính từ 30mm tới 36mm

Đường kính bulông không được nhỏ hơn 16mm Không được dùng bulông 16mm trong các cấu kiện chủ yếu, trừ khi tại các cạnh thép góc 64mm và các bản cánh của các mặt cắt có kích thước yêu cầu các bulông liên kết đường kính 16mm

Bulông liên kết đường kính 16mm chỉ nên dùng cho lan can, không dùng cho thép hình

Các thép góc mà kích thước không yêu cầu cần phải xác định bằng tính toán thì có thể dùng các bulông như sau:

- Bulông đường kính 16mm cho cạnh 50mm

Đường kính của bulông trong các thép góc của các thanh chủ yếu không được vượt quá một phần tư chiều rộng cạnh của thanh có bố trí bulông

Tùy theo công nghệ thi công bulông có các cấu tạo khác nhau:

- Kiểu 1 (hình 2-1- a), bulông có cấu tạo thông thường gồm thân bulông, đai ốc

và hai vòng đệm Khi xiết dùng một cờlê hãm đầu bulông, một cờlê đo lực xiết đến lực căng yêu cầu

Hình 2-1 Các loại bulông

- Kiểu 2 (hình 2-1-b), bulông có đầu chỏm cầu, đai ốc và hai vòng đệm Khi xiết dùng cờlê máy xoay hai chiều, một chiều hãm đầu bulông ngoài đai ốc, một chiều xiết đai ốc đến khi đứt đầu bulông

(c) (d) (e)

Trang 24

24

- Kiểu 3 (hình 2-1-c,d), bulông có đầu chỏm cầu, dưới chỏm cầu có một hoặc hai ngạnh (các ngạnh này được đặt trong lỗ có rãnh), đai ốc và một vòng đệm Khi xiết dùng một cờlê đo lực xiết đến lực căng yêu cầu

- Kiểu 4 (hình 2-1-e), bulông có đầu loe hình nón cụt (chìm) sát phần đầu loe cấu tạo đoạn gai tạo ma sát với lỗ, đai ốc và một vòng đệm Khi xiết dùng một cờlê đo lực xiết đến lực căng yêu cầu

Chiều dày của các vòng đệm tấm kết cấu hoặc thanh với các lỗ tiêu chuẩn không được nhỏ hơn 8mm

2.2.2 Lỗ bulông

Lỗ bulông thường có các loại sau:

- Lỗ tiêu chuẩn là lỗ có đường kính lớn nhất lớn hơn đường kính bulông từ 2mm đến 3mm

- Lỗ quá cỡ là lỗ có đường kính lớn nhất lớn hơn đường kính bulông từ 4mm trở lên Lỗ quá cỡ được dùng trong liên kết ma sát ở bất kỳ lớp nào của liên kết và không đựơc dùng trong liên kết kiểu ép tựa

- Lỗ ôvan ngắn và lỗ có xẻ một rãnh là lỗ có chiều dài lớn hơn chiều rộng nhiều nhất là 7mm và có thể dùng cho bất kỳ lớp nào của liên kết ma sát hay liên kết

ép tựa Cạnh dài của lỗ ôvan không phụ thuộc vào phương của tải trọng trong liên kết ma sát, còn trong liên kết ép tựa chiều dài phải được trực giao với phương của tải trọng

- Lỗ ôvan dài và lỗ có xẻ hai rãnh là lỗ có chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều rộng và chỉ dùng trong một lớp của liên kết ma sát hay liên kết ép tựa Cũng như

lỗ ôvan ngắn trong liên kết ma sát cạnh dài của lỗ ôvan có thể có vị trí bất kỳ so với phương của tải trọng, còn trong liên kết ép tựa cạnh dài phải được trực giao với phương của tải trọng

Kích thước của các loại lỗ phụ thuộc và đường kính bulông và không được vượt quá giá trị cho trong bảng 2-2

Trang 25

25

Bảng 2-2 Các kích thước lỗ lớn nhất

Đường kính

bulông

Tiêu chuẩn Quá cỡ Ôvan ngắn Ôvan dài

D Đưòng kính Đường kính Rộng x dài Rộng x dài

2.2.3 Khoảng cách giữa các bulông

2.2.3.1 Khoảng trống và khoảng cách tối thiểu

Khoảng cách từ tim đến tim của bulông với lỗ tiêu chuẩn không được nhỏ hơn

ba lần đường kính bulông Khi dùng bulông lỗ quá cỡ hoặc lỗ ôvan (hay lỗ xẻ rãnh) thì khoảng trống (khoảng cách từ mép lỗ đến mép lỗ liền kề theo phương của lực hay vuông góc với phương của lực) không được nhỏ hơn hai lần đường kính bulông

Hình 2-2 Các kích thước trong liên kết bulông

Ghi chú hình 2.2: a - khoảng cách giữa các đinh (bước bulông); b - khoảng cách từ đinh đến đầu cấu kiện; c - khoảng trống giữa các bulông; d - khoảng trống từ bulông đến đầu cấu kiện; g - khoảng cách ngang; b1 - khoảng cách so le;

a2 - khoảng cách ngang đến mép cấu kịên

2.2.3.2 Khoảng cách tối đa

Để bảo đảm cho các tấm ghép ép xít vào nhau và cách ẩm khoảng cách giữa các bulông trên một hàng đơn liền kề với mép tự do của bản táp ngoài hay thép hình phải thỏa mãn điều kiện:

Trang 26

2.2.3.3 Bước tối đa cho bulông ghép tổ hợp

Bulông ghép tổ hợp khi mặt cắt ngang có hai hay lớn hơn hai tấm bản hay thép hình tiếp giáp với nhau

Khoảng cách giữa các bulông theo chiều dọc khi ghép các cấu kiện chịu nén không được vượt quá 12t Khoảng cách ngang (g) giữa các hàng bulông liền kề không được quá 24t Khi bố trí so le khoảng cách so le của hai bulông ở hai hàng liền kề phải thỏa mãn:

8

g3

Khoảng cách dọc giữa các bulông trong thanh chịu kéo không được vượt quá hai lần quy định đối với thanh chịu nén Khoảng cách ngang giữa hai hàng bulông liền kề không được vượt quá 24t Khoảng cách dọc tối đa của các bulông trong các cấu kiện có mặt cắt tổ hợp không được vượt quá trị số nhỏ hơn giữa hai yêu cầu chống ẩm (xem phần 2.2.3.2) và ghép tổ hợp (xem phần 2.2.3.3)

2.2.3.4 Khoảng cách dọc tối đa cho bulông ghép tổ hợp ở đầu cấu kiện

chịu nén

Bước dọc của bulông liên kết các bộ phận của cấu kiện chịu nén không được vượt quá bốn lần đường kính bulông cho một đoạn dài bằng 1,5 chiều rộng lớn nhất của cấu kiện Ngoài đoạn này (đoạn ở đầu cấu kiện) bước dọc có thể được tăng dần trên đoạn chiều dài bằng 1,5 lần chiều rộng tối đa của cấu kiện cho đến khi nào đạt bước dọc tối đa như quy định ở 2.2.3.3

2.2.3.5 Khoảng cách bulông ở đầu mút cấu kiện

Khoảng cách từ tim lỗ đến đầu cấu kiện của mọi loại lỗ không được nhỏ hơn khoảng cách đến mép quy định trong bảng 2-3 Đối với lỗ quá cỡ hoặc ôvan khoảng từ mép lỗ đến mép cấu kiện không đựơc nhỏ hơn đường kính bulông Khoảng cách từ tim bulông đến đầu cấu kiện lớn nhất phải lấy không lớn hơn tám lần chiều dày của bản nối dày nhất và 125mm

Trang 27

27

Bảng 2-3 Khoảng cách đến mép tối thiểu

Đường kính bulông Các mép cắt

Các mép tấm bản hay thép hình được cán hoặc các mép được cắt

2.2.3.6 Khoảng cách đến mép bên cấu kiện

Khoảng cách tối thiểu từ tim bulông đến mép bên của cấu kiện quy định trong bảng 2-3 Khoảng cách từ tim bulông đến mép cấu kiện không được lớn hơn tám lần chiều dày của bản nối dày nhất và 125mm

Ns – số lượng mặt ma sát tính cho mỗi bulông;

Pt – lực căng tối thiểu yêu cầu của bulông (N) lấy theo bảng 2-4;

Kh – hệ số kích thước lỗ, lấy theo bảng 2-5;

Ks - hệ số điều kiện bề mặt, lấy theo bảng 2-6, trong đó có mặt loại A, loại B, loại C như sau:

+ Loại A: Làm sạch các lớp bẩn, không sơn, bề mặt đựơc làm sạch bằng thổi với các lớp phủ loại A

+ Loại B: Làm sạch bề mặt bằng thổi, không sơn, bề mặt đựơc làm sạch bằng thổi có các lớp phủ loại B

+ Loại C: Bề mặt mạ kẽm nóng và làm nhám bằng bàn chải sắt sau khi mạ

2.2.4.2 Sức kháng cắt

Sức kháng cắt danh định của bulông cường độ cao hoặc bulông ASTM A307

ở trạng thái giới hạn cường độ trong các mối nối mà khoảng cách giữa các

Trang 28

28

bulông xa nhất theo phương song song với đường tác dụng của lực nhỏ hơn

1270mm lấy như sau:

+ Khi đường ren nằm ngoài mặt phẳng cắt:

Bảng 2-4 Lực kéo nhỏ nhất yêu cầu của bulông

Lực kéo yêu cầu P t (kN) Đường kính bulông mm

Cho các lỗ khía rãnh dài với rãnh thẳng góc với phương lực 0,70

Cho các lỗ khía rãnh dài với rãnh song song với phương lực 0,60

Bảng 2-6 Các trị số của K s

Cho các điều kiện bề mặt loại A 0,33 Cho các điều kiện bề mặt loại B 0,50 Cho các điều kiện bề mặt loại C 0,33

+ Khi đường ren nằm trong mặt phẳng cắt:

trong đó:

Ab – diện tích mặt cắt ngang bulông theo đường kính danh định (mm2);

Fub – cường độ kéo nhỏ nhất của bulông ( MPa );

Ns – số mặt cắt cho mỗi bulông

Sức kháng danh định của bulông trong các mối nối mà khoảng cách giữa các

bulông xa nhất lớn hơn 1270mm lấy bằng 0,8 lần sức kháng danh định tính theo

công thức (2-5) hoặc (2-6)

Trang 29

29 Với bulông A307 nếu sức kháng danh định xác định theo (2-6) thì khi

chiều dày tập bản vượt quá 5 lần đường kính bulông, sức kháng phải giảm 1%

cho mỗi 1,5mm lớn hơn của chiều dày tập bản với 5 lần đường kính

2.2.4.3 Sức kháng ép mặt

Diện tích chịu ép mặt hiệu dụng của bulông lấy bằng đường kính của nó nhân

với chiều dày bản nối nhỏ nhất về một phía Khi lỗ khoét có miệng loe (cho

bulông đầu chìm) thì chiều dày phải trừ đi một nửa chiều cao của miệng loe

Đối với các lỗ tiêu chuẩn, lỗ quá cỡ, các lỗ ôvan ngắn có lực tác dụng theo

mọi hướng và tất cả các lỗ ôvan song song với lực ép mặt thì sức kháng ép mặt

danh định của các lỗ bulông ở phía trong và ở đầu cấu kiện trong trạng thái giới

hạn cường độ, Rn được lấy như sau:

- Với các bulông có khoảng trống (khoảng cách từ mép lỗ đến mép lỗ) không

nhỏ hơn 2d và khoảng trống ở đầu không nhỏ hơn 2d:

d – đường kính danh định của bulông (mm);

t – chiều dày tấm bản (mm);

Fu – cường độ chịu kéo của vật liệu (MPa);

Lc – khoảng trống giữa các lỗ hoặc giữa mép lỗ với đầu cấu kiện (mm)

2.2.4.4 Sức kháng kéo

Các bulông cường độ cao chịu kéo dọc trục phải được căng đến lực quy định

như trong bảng 2-4 Lực kéo tác dụng lên bulông bao gồm ngoại lực tính toán và

lực nhổ do biến dạng của các bộ phận liên kết

- Sức kháng kéo danh định của bulông (Tn) không phụ thuộc vào lực căng ban

đầu và lấy như sau:

trong đó:

Trang 30

30

Ab – diện tích mặt cắt bulông tương ứng với đường kính danh định (mm2);

Fub – cường độ chịu kéo nhỏ nhất quy định của bulông lấy theo phần 2.2.1.1

8

b3

trong đó:

Qu – lực kéo nhổ lên trên một bulông do các tải trọng tính toán, lấy bằng 0 khi

là âm (N);

Pu – lực kéo trực tiếp trên một bulông do các tải trọng tính toán (N);

a – khoảng cách từ tim bulông đến mép tấm (mm);

b – khoảng cách từ tim bulông đến chân đường hàn của bộ phận liên kết

(mm);

t – chiều dày nhỏ nhất của bộ phận liên kết (mm)

- Sức kháng mỏi: Bulông cường độ cao chịu kéo dọc trục bị mỏi, ứng suất trong

bulông do hoạt tải mỏi thiết kế có xét xung kích cộng với lực nhổ lên do tác

dụng lặp của tải trọng mỏi phải thỏa mãn điều kiện:

trong đó:

γ – hệ số tải trọng với tổ hợp tải trọng mỏi, lấy theo bảng 1-2

ΔF – ứng suất trong bulông do hoạt tải mỏi sinh ra (MPa) Hoạt tải mỏi thiết

kế là một xe tải thiết kế có khoảng cách giữa hai trục 145kN không đổi là 9m

(ΔF)n – sức kháng mỏi danh định (MPa), xác định theo công thức sau:

A – hằng số (MPa3), lấy theo bảng (2-7);

n – số chu kỳ ứng suất cho một lần chạy của hoạt tải, lấy theo bảng (2-8);

ADTT – số xe tải trong một ngày theo một chiều tính trung bình trong tuổi

thọ thiết kế;

(ΔF)TH – giới hạn mỏi với biên độ không đổi, lấy theo bảng (2-9)

Trang 31

31

Bảng 2-7 Hằng số loại chi tiết, A

( x 1011 MPa3)

A 82,0

B 39,3 B’ 20,0

C 14.4 C’ 14,4

D 7,21

E 3,61 E’ 1,28 Bulông M164M (A325M) chịu kéo dọc trục 5,61

Bulông M253M (A490M) chịu kéo dọc trục 10,3

Bảng 2-8 Các chu kỳ đối với mỗi lượt xe tải chạy qua, n

Chiều dài nhịp Các cấu kiện dọc

> 12000 mm ≤ 12000 mm Dầm giản đơn 1,0 Dầm liên tục

1 Gần gối tựa ở phía trong 1,5 2,0

n 0,76A F

Trang 32

32

Bảng 2-9 Giới hạn mỏi - biên độ không đổi

(MPa)

A 165

B 110 B’ 82,7

C 69,0 C’ 82,7

D 48,3

E 31,0 E’ 17,9 Bulông M164M (A325M) chịu kéo dọc trục 214

Bulông M253M (A490M) chịu kéo dọc trục 262

n ub

b

P1

FA76,0

−

2.2.1.1 (MPa);

Pn – lực cắt tác động lên bulông do tải trọng tính toán (N);

Sức kháng danh định của bulông trong các liên kết ma sát ở tổ hợp tải trọng

trong trạng thái giới hạn sử dụng (bảng 1-2) khi bulông chịu kéo dọc trục và cắt

kết hợp không được vượt quá sức kháng trượt danh định tính theo công thức

(2-4) nhân với:

t

uP

T

trong đó:

Tu – lực kéo do tải trọng tính toán trong tổ hợp tải trọng sử dụng (N);

Pt – lực căng tối thiểu yêu cầu của bulông (N), lấy theo bảng (2-4)

Trang 33

33

2.3 Liên kết hàn

công xưởng vì liên kết hàn đơn giản về mặt cấu tạo, tiết kiệm vật liệu, tuy nhiên trong các mối hàn lớn cần quan tâm đặc biệt đến biến dạng và ứng suất dư

Để giảm biến dạng và ứng suất dư cần phải quan tâm đến công nghệ hàn cũng như trình tự hàn, thí dụ khi hàn một dầm chữ I trình tự hàn được thực hiện theo thứ tự 1, 2, 3 và 4 (hình 2-3) và khi mối hàn nhiều lớp thì lớp sau được hàn theo hướng ngược lại với lớp trước v.v…

Hình 2-3 Trình tự hàn ghép

Khi hàn kim loại cơ bản, kim loại hàn phải tuân theo các yêu cầu của quy chuẩn Phải sử dụng kim loại hàn (kim loại của que hàn, dây hàn) phù hợp với kim loại cơ bản (kim loại của vật liệu được hàn) trừ trường hợp có quy định riêng

2.3.1 Các liên kết hàn thường gặp

2.3.1.1 Hàn góc

Mối hàn góc có thể dùng khi hai tấm cơ bản được đặt chồng lên nhau (hình

2-4 a,b) hoặc khi hai tấm cơ bản vuông góc (cũng có thể xiên góc) với nhau (hình 2-4c) Mối hàn góc có thể hàn cùng mối hàn rãnh (hình 2-4c)

Hình 2-4 Mối hàn góc

được gọi là gốc của đường hàn, mặt tự do của đường hàn là mặt cong nhưng khi tính có thể xem đó là mặt phẳng, chiều dài đường vuông góc từ gốc đường hàn đến mặt đưòng hàn là chiều cao hay chiều dày của đường hàn (đoạn AI trên hình 2-5)

3 1

Trang 34

34

Hình 2-5 Chi tiết hàn góc

Diện tích hiệu dụng là tích của chiều cao đường hàn với chiều dài hiệu dụng

của đường hàn AB, AC được gọi là kích thước của đường hàn góc

- Bằng chiều dày của tấm cơ bản khi tấm cơ bản có chiều dày nhỏ hơn 6mm

- Nhỏ hơn chiều dày của tấm cơ bản 2mm khi tấm cơ bản có chiều dày lớn hơn

hay bằng 6mm

dày của tấm cơ bản mỏng hơn

Bảng 2-7 Kích thước nhỏ nhất của các đường hàn góc

Chiều dày kim loại cơ bản của bộ phận

mỏng hơn được nối ghép T (mm) Kích thước nhỏ nhất của đường hàn góc (mm)

Chiều dài hiệu dụng nhỏ nhất của đường hàn góc phải lấy bằng bốn lần kích

thước của nó và không nhỏ hơn 40mm

Sức kháng tính toán của đường hàn góc được lấy như sau:

- Khi đường hàn góc chịu kéo hoặc nén song song với trục đường hàn, sức

kháng tính toán được lấy bằng sức kháng tính toán của kim loại cơ bản

- Khi đường hàn góc chịu cắt, sức kháng tính toán được lấy trị số nhỏ hơn sức

kháng tính toán của vật liệu tấm cơ bản và sức kháng tính toán của kim loại hàn:

y y

F58,0min

trong đó:

Φy – hệ số sức kháng đối với cắt, lấy theo phần 1-5 đã nêu trên;

C

B

I Gốc đường hàn

Chiều cao

A

Trang 35

Hình 2-6 Một số kiểu vát mép khi hàn

a Sức kháng tính toán của liên kết hàn có vát ngấu hoàn toàn:

- Sức kháng kéo và nén: Sức kháng tính toán của các liên kết hàn có vát ngấu hoàn toàn chịu kéo hoặc nén vuông góc với diện tích hiệu dụng của đường hàn hoặc song song với trục đường hàn được lấy như sức kháng tính toán của kim loại cơ bản

- Sức kháng cắt: Sức kháng cắt tính toán của liên kết hàn có vát ngấu hoàn toàn trên diện tích hiệu dụng phải được lấy theo trị số nhỏ hơn cho trong (2-20) hoặc 60% sức kháng tính toán của kim loại cơ bản chịu kéo

trong đó:

b Sức kháng tính toán của liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn:

- Sức kháng kéo và nén: Sức kháng kéo, nén của các liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn theo phương song song với trục đường hàn hoặc sức kháng nén

(a) Rãnh vuông

(c) Rãnh chữ X (b) Rãnh chữ V

(a) Rãnh chữ U

Trang 36

36

vuông góc với diện tích hiệu dụng lấy như sức kháng tính toán của kim loại

cơ bản

Sức kháng kéo của các liên kết hàn có vát ngấu không hoàn toàn chịu kéo trực

giao với diện tích hiệu dụng lấy theo giá trị nhỏ hơn của (2-21) hoặc sức kháng

tính toán của kim loại cơ bản

trong đó ΦC1 và Fexx như đã nêu ở trên

- Sức kháng cắt: Sức kháng tính toán về cắt của các liên kết hàn có vát ngấu

không hoàn toàn chịu lực song song với trục đường hàn phải lấy theo giá trị nhỏ

hơn của sức kháng tính toán của vật liệu cơ bản hoặc sức kháng tính toán của

y y

F58,0min

trong đó Φy , Fy , ΦC2 , Fexx như đã nêu ở trên

2.4 Sức kháng phá hoại cắt khối

Trong các liên kết cần phải xem xét tất cả các mặt phẳng có thể bị phá hoại ở

các bộ phận và tấm bản liên kết bao gồm các bản song song và vuông góc với

lực tác dụng Các mặt song song với lực tác dụng phải được xét như chỉ chịu cắt,

các mặt vuông góc với lực tác dụng được xem như chỉ chịu kéo Sức kháng tính

toán của tổ hợp hai mặt phẳng đã nêu là sức phá hoại cắt khối lấy như sau:

Avg – diện tích nguyên dọc theo mắt cắt chịu cắt (mm2);

Avn – diện tích thực dọc theo mắt cắt chịu cắt (mm2);

Atg – diện tích nguyên dọc theo mắt cắt chịu kéo (mm2);

Atn – diện tích thực dọc theo mắt cắt chịu kéo (mm2);

Φbs – hệ số sức kháng đối với cắt khối, lấy theo lấy theo phần 1-5 đã nêu trên;

Diện tích nguyên được lấy bằng chiều dài mặt phẳng nhân với chiều dày của

chi tiết Diện tích thực là diện tích nguyên trừ đi tích của chiều dày chi tiết với

số lỗ trong mặt phẳng nhân với kích thước của lỗ trong phương của mặt phẳng

cộng với 2mm

Sức kháng phá hoại cắt khối phải được xét cả liên kết bulông và liên kết hàn

Trang 37

37

2.5 Sức kháng của các cấu kiện liên kết

Sức kháng của các cấu kiện liên kết bao gồm sức kháng kéo và sức kháng cắt

phải được xét đến khi thiết kế các cấu kiện liên kết như: bản nối, bản nút …

2.5.1 Sức kháng kéo

Sức kháng kéo tính toán phải lấy giá trị nhỏ nhất về giới hạn chảy (2-25) hoặc

về giới hạn đứt gẫy (2-26), hoặc theo sức kháng phá hủy cắt khối (2-23), (2-24)

Fy – cường độ chảy (MPa)

1-5 đã nêu trên

An – diện tích thực của bộ phận (mm2)

U – hệ số triết giảm; U = 1

không được lớn hơn 85% diện tích nguyên của bộ phận

2.5.2 Sức kháng cắt

kháng cắt tính toán như sau:

y g n

RR

FA58,0R

Ở các phần trên chúng ta đã nghiên cứu liên kết bulông, trong đó có liên kết

ép tựa (cắt và ép mặt) và liên kết ma sát cũng như liên kết đường hàn Về

nguyên tắc cả hai loại liên kết trên đều có thể dùng cho mối nối ở công xưởng

hoặc công trường tuy nhiên với các mối nối ở công xưởng nên ưu tiên dùng liên

Trang 38

- Bố trí liên kết (bulông, đường hàn) theo đúng yêu cầu cấu tạo

- Kiểm tra liên kết theo các trạng thái gới hạn theo quy định như đã nêu ở các phần trên

- Hoàn chỉnh mối nối để bảo đảm các yêu cầu về cấu tạo cũng như về sức kháng

tính toán ở trạng thái giới hạn cường độ không nhỏ hơn số lớn hơn của một trong hai giá trị sau:

- Trị số trung bình của mômen uốn, lực cắt hay lực dọc do tải trọng tính toán ở

vị trí nối và sức kháng uốn, cắt, hay dọc trục tính toán của cấu kiện hoặc:

- 75% sức kháng uốn, cắt hoặc dọc trục tính toán của cấu kiện

2.6.2 Mối nối bulông

- Ở nơi mà tại mối nối thay đổi thì mặt cắt ở bên nhỏ hơn phải được sử dụng để tính toán thiết kế

- Các mối nối chịu kéo và chịu uốn phải sử dụng liên kết ma sát (bulông cường

độ cao);

- Các mối nối thép góc, bản cánh gồm hai thép góc, mỗi thép góc ở một bên của cấu kiện chịu uốn

- Bản táp có chiều dày không nhỏ hơn 8mm

2.6.2.1 Mối nối chịu kéo nén

Mối nối của các cấu kiện chịu kéo phải thỏa mãn yêu cầu sức kháng kéo của cấu kiện liên kết (2-25) và (2-26) Mối nối của các cấu kiện chịu nén có thể được thiết kế cho không nhỏ hơn 50% sức kháng tính toán thấp hơn của các mặt cắt ghép nối (hình 2-7)

Hình 2-7 Mối nối cấu kiện chịu kéo-nén

Trang 39

39

2.6.2.2 Mối nối của cấu kiện chịu uốn

Hình 2-8 Mối nối cấu kiện chịu uốn

Mối nối điển hình là mối nối dầm chữ I (hình 2-8) bao gồm mối nối sườn dầm

và mối nối cánh dầm

a Mối nối cánh dầm:

cánh dầm chịu nén Khi tính toán quan niệm cánh dầm chịu toàn bộ mômen đã

xác định theo phần 2.6.1 hoặc có thể trừ đi phần mômen do sườn dầm chịu, như

vậy mỗi cánh chịu một lực kéo hoặc nén dọc trục có trị số bằng mômen chia cho

khoảng cách giữa trọng tâm của hai cánh

Với cánh dầm chịu kéo mối nối phải thỏa mãn điều kiện (2-25) và (2-26) Với

cánh dầm chịu nén mối nối phải thỏa mãn điều kiện:

trong đó:

Φc – hệ số sức kháng đối với nén, lấy theo 6.5.4.2 Quy trình;

Quy trình cũng khuyên là trong kết cấu chịu uốn không nên dùng mối nối

bulông cho bản cánh với các mối nối ở công trường và bất kỳ bản cánh nào cũng

không có quá một mối nối trong một mặt cắt ngang

b Mối nối sườn dầm:

Khi ghép nối bằng bulông sườn dầm phải được ghép nối đối xứng với hai bản

nối (hay còn gọi là bản táp) ở hai bên Các bản nối cho lực cắt phải có chiều cao

bằng chiều cao sườn dầm do lực cắt phân bố trên toàn bộ chiều cao sườn và với

mặt cắt chữ I thì ứng suất tiếp ở mép trên và dưới sườn dầm có giá trị đáng kể so

với ứng suất tiếp lớn nhất Ở mỗi bên của mối nối có không được ít hơn hai hàng

bulông

Với các mối nối sườn dầm khi bề dày chênh lệch nhỏ hơn hoặc bằng 2mm thì

không cần có bản đệm

Trang 40

- Lực cắt quy ước (trong quy trình gọi là lực cắt tưởng tượng) lấy bằng lực cắt

do tải trọng tính toán nhân với một hệ số Hệ số này bằng tỷ số giữa mômen thiết kế xác định theo phần 2.6.1 chia cho mômen gây ra bởi các tải trọng tính toán và mômen gây ra do lực cắt (mômen này lấy bằng tích của lực cắt với khoảng cách từ trọng tâm nhóm bulông ở một bên mối nối đến lực cắt)

- Mômen do sự lệch tâm của lực cắt quy ước bằng tích của lực cắt quy ước với khoảng cách từ trọng tâm nhóm bulông của mối nối đến lực cắt này, tức là đến mặt tiếp xúc giữa hai sườn dầm

Ở trạng thái giới hạn cường độ ứng suất uốn trong các bản nối không được vượt quá cường độ chảy nhỏ nhất quy định của bản nối

2.6.3 Mối nối hàn

xác định như trong phần 2.6.1 Các bộ phận chịu kéo và nén có thể được nối ghép bằng mối nối hàn đối đầu ngấu hoàn toàn, tránh sử dụng các bản nối vì vậy trong mối nối dầm I có thể cánh dầm dùng mối hàn còn sườn dầm ghép nối bằng bulông

xứng như trên hình 2-9

hoặc bào với một độ dốc đều không lớn hơn 1: 2,5

Định dạng
Số trang	129
Dung lượng	1,13 MB